可见光波长下稳健、高效的微米级相位调制器

美国哥伦比亚大学工程与应用科学学院展示了一种基于绝热微环谐振器的可见光氮化硅热光相位调制器，与波导相位调制器相比，该调制器在器件占用空间和功耗方面至少降低了一个数量级。相关文献发表在《Nature Photonics》。

光学相位调制器对于可见光波长的大规模集成光子系统至关重要，在许多新兴应用中具有前景，其中包括光交换结构，人工神经网络、光测距和检测、自由空间光通信和相控阵成像等。然而，当前的技术需要大的器件尺寸和高功耗或高驱动电压，限制了可见光谱集成光子电路中的有源元件数量。

过去的几十年里，研究人员已经从使用电流转向操纵近红外范围内的光波，用于电信应用，如高速 5G 网络、芯片上的生物传感器和无人驾驶汽车。这个被称为集成光子学的研究领域正在快速发展，研究人员现在正在探索更短的可见光波长范围，以开发各种新兴应用，其中包括芯片级 LIDAR（光探测和测距）、AR/VR/MR（增强/虚拟/混合现实）护目镜、全息显示器、量子信息处理芯片和可植入大脑的光遗传学探针。

在可见光范围内，所有这些应用至关重要的一个设备是光学相位调制器，它控制光波的相位，类似于无线电波相位在无线计算机网络中的调制方式。使用相位调制器，研究人员可以构建一个片上光开关，将光引导到不同的波导端口。通过这些光开关的大型网络，研究人员可以创建复杂的集成光学系统，这些系统可以控制在微型芯片上传播的光或从芯片发射的光。

然而，可见光范围内的相位调制器很难制造：没有任何材料在可见光谱中足够透明，同时还通过热光或电光效应提供大的可调性。目前，两种最合适的材料是氮化硅和铌酸锂。虽然两者在可见光范围内都高度透明，但都没有提供非常多的可调性。因此，基于这些材料的可见光谱相位调制器不仅体积大而且耗电：单个基于波导的调制器的长度从数百微米到几毫米不等，单个调制器消耗数十毫瓦进行相位调谐。试图实现大规模集成（在单个微芯片上嵌入数千个设备）的研究人员迄今为止一直受到这些笨重、耗能设备的阻碍。

图注，可见光谱相位调制器（半径为 10 微米的中心的环）比蝴蝶翼鳞更小。 图片来源Heqing Huang 和 Cheng-Chia Tsai，哥伦比亚工程。

哥伦比亚工程公司的研究人员宣布，他们已经找到了解决这个问题的方法，他们开发了一种基于微环谐振器的方法，可以将可见光谱相位调制器的尺寸和功耗从 1 mm大幅减少到10 um，从 π 相位调谐的数十 mW 到 1 mW 以下。该新设备在不使可见光变暗的情况下调节可见光，占地面积最小，功耗最低。

“通常东西越大越好，但集成设备是一个显着的例外，”应用物理学副教授、该团队的联合首席研究员 (PI) 和纳米光子学专家 Nanfang Yu 说。 “将光限制在一个点上并在不损失太多能量的情况下操纵它真的很难，我们很高兴在这项工作中取得了突破，这将大大扩展大规模可见光谱集成光子学的视野。”

在可见光波段工作的传统光学相位调制器基于光在波导中的传播。Yu与他的同事Michal Lipson合作开发了一种非常不同的方法，他是基于氮化硅的集成光子学领域的领先专家。“我们解决方案的关键是使用光学谐振器，并在所谓的强过耦合状态下对其进行操作，”该团队的首席执行官、尤金·希金斯（Eugene Higgins）电气工程教授和应用物理学教授Lipson说。

光学谐振器是具有高度对称性的结构，例如，可以多次循环光束并将微小的折射率变化转化为大的相位调制的环。谐振器可以在几种不同的条件下工作，因此需要谨慎使用。例如，如果在“欠耦合”或“临界耦合”状态下操作，谐振器将仅提供有限的相位调制，同时，将大的幅度变化引入到光信号中。后者是一种非常不受欢迎的光损耗，因为即使是来自单个相位调制器的中等损耗累积也会阻止将它们级联以形成具有足够大输出信号的电路。

为了实现完整的 2π 相位调谐和最小幅度变化，Yu-Lipson 团队选择在“强过耦合”状态下操作微环，即微环和“总线”之间的耦合强度将光馈入环的波导至少比微环的损耗强 10 倍。 “后者主要是由于器件侧壁上纳米级粗糙度的光学散射，”Lipson 解释说，“你永远无法制造出具有完美光滑表面的光子器件。”

该团队开发了几种策略来将设备推入强过耦合状态。最关键的一个是他们发明的绝热微环几何结构，其中环在狭窄的颈部和宽腹之间平滑过渡，它们位于环的相对边缘。环的窄颈有利于总线波导和微环之间的光交换，从而增强耦合强度。环的宽腹部减少了光损耗，因为被引导的光仅与绝热微环加宽部分的外侧壁相互作用，而不与内侧壁相互作用，显着减少了侧壁粗糙度处的光学散射。

在对同一芯片上并排制造的绝热微环和宽度均匀的常规微环进行比较研究时，该团队发现传统微环均不满足强过耦合条件——事实上，它们遭受了非常糟糕的光学损耗——而 63% 的绝热微环继续在强过耦合状态下运行。

“我们最好的相位调制器工作在蓝色和绿色，这是可见光谱中最难的部分，半径只有 5 um，π 相位调谐消耗 0.8 mW 功率，并且引入的幅度变化小于10%，”实验室的研究生、论文的第一作者 Heqing Huang 说。 “这是首次实现在可见光波长下有如此紧凑、节能和低损耗的相位调制器。”

这些设备是在 Yu 的实验室设计的，并在哥伦比亚纳米计划超净间、纽约城市大学研究生中心的高级科学研究中心纳米制造和康奈尔纳米级科学技术设施中制造。器件表征在 Lipson 和 Yu 的实验室进行。

研究人员指出，虽然他们远未达到电子产品的集成度，但他们的工作大大缩小了光子和电子开关之间的差距。 “如果以前的调制器技术只允许在给定一定的芯片占用空间和功率预算的情况下集成 100 个波导相位调制器，那么，现在我们可以做得更好 100 倍，并在芯片上集成 10,000 个移相器以实现更复杂的功能，”Yu 说。

Lipson 和 Yu 实验室现在正在合作展示由基于绝热微环的大型 2D 移相器阵列组成的可见光谱 LIDAR。用于可见光谱热光器件的设计策略可应用于电光调制器，以减少其占用空间和驱动电压，并可适用于其他光谱范围（例如，紫外线、电信、中红外和太赫兹） ) 和其他微环以外的谐振器设计。

“因此，我们的工作可以激发未来的努力，人们可以在各种基于谐振器的设备中实现强过耦合，以增强光与物质的相互作用，例如，增强光学非线性、制造新型激光器、观察新型量子 光学效应，同时抑制光学损耗，” Lipson说。